电阻电容电感测试仪的设计与制作

摘要：该电阻电容电感测试仪以AT89S52单片机为控制核心，通过测量频率来间接测量电阻器的阻值、电容器的容量和电感器的电感量，并对测试数据和测试结果进行保存记录，可调出最近十次的测量结果并显示测试的时间、元件类型、参数；所有测量的量程均能自动转换量程，并显示相应的提示语句。
关键词：单片机；电感；电阻；电容

1 前言
测量电子元器件集中参数R、C、L的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。传统的测量仪表和方法虽然操作简单，但是存在计算精度不高、无记忆功能、不易实现自动测量而且很难实现智能化的问题。如果把较难测量的物理量转化为精度较高且较容易测量的物理量，再加上单片机的记忆功能及对频率信号处理的方便性，可以先把电子元件的集中参数R、C、L转换为频率信号f，然后再利用单片机对被测量进行运算求出R、C、L，最后用LCD显示出来的电阻、电容、电感测试仪。基于上述思想设计了此款操作简单、具有记忆功能的智能化电阻电容电感测试仪。

2 系统整体设计
以AT89C51单片机为核心，主要由RC振荡电路、多谐振荡回路、通道选择、功能按键和显示器(LCD)组成。系统电路方框图如图1所示：
相关的振荡电路将待测参数转换为频率信号，经通道选择与单片机接口，由单片机对其进行采样、运算后，将测试结果输出到LCD显示。功能按键可实现待测参数选择功能，量程转换由单片机程序自动实现，使用方便。

3 系统硬件设计
3．1 单片机最小系统电路
系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FIash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。由其组成的单片机最小系统电路如图2所示。

3．2 1602液晶显示电路
为了实现数字化，系统采用市场上常见的1602液晶，它能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶显示模块可以和单片机AT89S52直接接口，其接口电路如图3所示。
3．3 电阻、电容测量模块
3．3．1 电阻测量模块
利用555定时器和待测电阻器或者待测电容器构成多谐振荡电路，再利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，根据振荡周期的公式测得待测电阻。利用单片机的P3．2引脚接到555定时器上，将555多谐振荡电路的频率信号f送到到单片机，然后单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，再求电阻的值。[p]
电容器的充电时间t1和放电时间t2分别为：充电时间t1=0．7RC；放电时间t2=0．7RC。所以多谐振荡器的周期T为：T=t1+t2=1．4RC，。
由于单片机的定时器的最大时间为65536us，因此我们选择电容C为0．1 μF。图7电阻测量电路图

3．3．2 电容测量模块
测量电容采用的RC振荡电路与测电阻的振荡电路完全一样。
误差分析：有|△Cx／Cx|=|△f／f|+|△C／C|。
已知|△f／f|能满足1％以下的精度，而精密的金属膜电阻，其阻值的变化率|△R1／R1|亦满足1％左右的精度。这样电容的测量精度也可以做的比较高。注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电容和电阻时，应在显示稳定后再读取参数值。
3．4 电感测量模块
在测量电感电容值时，传统的测量大都采用交流电桥法和谐振法。然而这些方法通常采用刻度读数，读数不够直观。着眼于对传统测量方式的改进，基于LC振荡电路原理，结合以AT89S52单片机为核心的频率测量电路，测量电感。
利用普通的CMOS反相器构成一个皮尔兹CMOS缓冲振荡器，通过测量频率来间接测量电感，并且测量值与电感的内阻基本无关。本电路设计简单，无需调试即可正常工作。其原理图如图4所示。

误差分析：因为所以|△L／L|=|2△f／f|+|△C／C|
由此可见，因为|2△f／f|相当小，|△L／L|的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要|△C／C|小于1％，|△L／L|也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容，|△C／C|都可以满足小于5％的要求，这样误差精度就能保持在-5％～+5％以内。

4 系统软件设计
AT89S52有两个定时器／计数器T0和T1。初始化程序将T0设置为计数器，T1设置为定时器。T0是工作在计数状态下，对输入的信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC／24，由于fOSC=12MHz，因此，T0的最大计数频率为500KHz。T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。频率计开始工作或者完成一次频率或周期的测量，程序都进行测量初始化。测量初始化模块是用来设置1602液晶显示、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式的。
系统软件设计采用模块化设计方法。整个程序由初始化模块、测量电感模块、测量电容模块、测量电阻模块、测量实时时钟模块、测量电感品质因数模块、测量频率模块、记录并保存数据模块等各种功能模块组成。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的物理量测量。

5 实测结果
为了衡量这次设计的电阻电容电感测试仪的工作情况和测量精度，我们对系统进行了试验，利用自制的测试仪对电阻、电容和电感的测量结果分别如表1、表2和表3。

6 结论
由于电路的增益很高，非常容易起振，即使在不接入电感的情况下，电路也会由于分布参数而起振。我们用了2个15cm长的线，接两个鳄鱼夹，直接短路的时候，电路的输出频率稳定在502kH，折算出分布电感为2μH左右。这表明该测试仪最低只能勉强测出5μH。但是，如果电感值稍大，测量值还是比较准确的。
考虑到存储空间的限制，在ROM中只存储3k个数据，实际分辨率为3．4％，测量小阻值的电阻器或者小容量的电容器误差比较大，所以本系统适合测量阻值较大的电阻器和容量较大的电容器。
该测试仪操作步骤简便，智能性强，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然，已在实验室使用。